DE3733114A1 - Strahlungsdetektor - Google Patents

Strahlungsdetektor

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Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und insbesondere einen Halbleiter-Strahlungsdetektor vom Direktumsetzungstyp zum Messen der Photonenenergie einer Strahlung.
Ein Detektor, wie beispielsweise ein Spektrometer- Zähler, der den äußeren photoelektrischen Effekt einer Photozelle ausnützt, ist als Vorrichtung zum Erfassen einer Strahlung, wie beispielsweise einer Gammastrahlung üblich.
In letzter Zeit ist ein Halbleiter-Strahlungsdetektor des Direktumsetzungstyps zum direkten Übertragen einer Photonenenergie in ein elektrisches Signal unter Ausnutzung des inneren photoelektrischen Effektes, der durch die Wechselwirkung zwischen einem Halbleiter und einer Strahlung induziert ist, entwickelt worden.
Fig. 1 zeigt einen Volumen-Halbleiterdetektor. In Fig. 1 sind zwei Elektroden auf den Seitenflächen des Volumen-Halbleiterdetektors so angeordnet, daß sie einander gegenüberliegen und sich entlang der Photonen-Einfallsrichtung erstrecken. Eine Spannung liegt zwischen beiden Elektroden 5 und 6 des Halbleiterdetektors. Wenn Photonen auf einen Halbleiterdetektor einwirken, werden Paare von Elektronen und positiven Löchern 3 bzw. 4 in einem Halbleiterkristall durch den inneren photoelektrischen Effekt erzeugt, der auf die Energie der auf den Detektor einfallenden Photonen zurückgeht. Die Energie der Photonen ist im wesentlichen proportional zu der Energie der Paare aus Elektronen und positiven Löchern. Wenn die Paare aus Elektronen und positiven Löchern im Halbleiterkristall erzeugt werden, bewegen sich die Elektronen 3 auf die Elektrode 5 der positiven Spannungsseite zu, während die positiven Löcher 4 zur Elektrode 6 auf Masseseite wandern, so daß die Elektronen und die positiven Löcher an den Elektrodenflächen ankommen. Auf die Bewegungen der Elektronen und positiven Löcher hin wird ein Signalstrom entsprechend der Energie der Photonen in einer äußeren Schaltung erzeugt, welche zwischen beiden Elektroden angeordnet ist. Dieser Signalstrom wird als ein Integral eines Spannungssignales durch die äußere Schaltung erfaßt. Somit steht die an den Elektrodenflächen ankommende Signalladung in einem Zusammenhang mit der Stärke der Strahlung. Die an beiden Elektroden angekommene Ladung Qout wird durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt:
Qout = Qe λ e/D (1-e -X/λ e )+Qh λ h/D (1-e (D-X)/λ h )-(1)
mit:
Qe, Qh:Ladungsgrößen der Elektronen und positiven Löcher (Qe = Qh),λ e, λ h:mittlere freie Weglängen der Elektronen und positiven Löcher,D= Abstand zwischen Elektroden undX= Abstand zwischen positiver Spannungselektrode und der Stelle, in der die Paare aus Elektronen und positiven Löchern erzeugt werden.
Gleichung (1) stellt eine allgemeine Beziehung dar, in welcher der erste Term der Ladungsgröße durch die Elektronen und der zweite Term die Ladungsgröße durch die positiven Löcher bilden. In tatsächlichen Messungen werden Ladungsträger an Fehlstellen, wie beispielsweise einer Gitterfehlstelle, die in einem bei Raumtemperatur betreibbaren Halbleiterdetektor mit hoher Quantenwirksamkeit aus CdTe, HgI₂ oder GaAs ausgebildet sind, eingefangen. Da die Einfangwahrscheinlichkeit der positiven Löcher besonders groß ist, gilt in den meisten Fällen λ h « D. Somit wird die Energie der Photonen durch lediglich die Menge der erzeugten Elektronen bestimmt, da die Ladung durch positive Löcher im wesentlichen vernachlässigt werden kann.
In einem derartigen Fall wird die Signalladung Qout angenähert wiedergegeben durch die folgende Gleichung (2):
Qout = Qe λ e/D (1-e -X/λ e ) (2)
Aus Gleichung (2) folgt, daß die Signalladung von dem Abstand (X) zwischen der Stelle, in der die Paare der Elektronen und positiven Löcher erzeugt werden, und der Elektrode der positiven Spannungsseite abhängt. Somit ändert sich die Ladung Q entsprechend der erzeugten Stelle. Mit anderen Worten, in einem herkömmlichen Volumen-Halbleiterdetektor kann die Ladung durch den Abstand (X) beeinflußt werden, und die Signalspannung kann sich ebenfalls ändern.
Ein herkömmlicher Volumen-Halbleiterdetektor hat eine Energie-/Spektralkennlinie der Photonen, wie diese in Fig. 2 dargestellt ist.
Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Anzahl der durch einen Strahlungsdetektor gezählten Ausgangssignale und der Energie von dessen Signal, wenn Photonen mit einer vorbestimmten Stärke kontinuierlich auf einen herkömmlichen Halbleiterdetektor einwirken. In Fig. 2 sind auf der Ordinate die Anzahl der während einer vorbestimmten Zeit gezählten Photonen angegeben, was einen spezifischen Ausgangswert darstellt, während auf der Abszisse der Wert eines Ausgangssignales entsprechend der Energie der Photonen aufgetragen ist. Es ist aus der Spektral-Kennlinie von Fig. 2 zu ersehen, daß in dem herkömmlichen Detektor ein Fühler- bzw. Meßsignal sich ändert bzw. schwankt. Es wird angestrebt, daß ein scharfer Spitzenwert lediglich an dem spezifischen Wert entsprechend der Energie der einfallenden Photonen dargeboten werden sollte. Da die Stelle oder Lage der Erzeugung der Elektronen das Ausgangssignal beeinflußt, kann tatsächlich eine Anzahl von Unregelmäßigkeiten beobachtet werden, welche das Energieauflösungsvermögen beträchtlich vermindern, wie dies aus Fig. 2 zu ersehen ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen sich durch ein erhöhtes Energieauflösungsvermögen auszeichnenden Strahlungsdetektor zum Messen der Energie von Strahlung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird bei einem Strahlungsdetektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnenden Teil enthaltenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Patentansprüchen 2 bis 12.
Der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor hat eine Masseseite- Elektrode, die senkrecht zu der Photoneneinfallsrichtung angeordnet ist, eine Elektrode positiver Spannung, die in einem Abstand D rückwärts von der Masseseite- Elektrode liegt und eine positive Spannung bezüglich der Masseelektrode aufweist, und einen Halbleiter, der zwischen der Masseelektrode und der Elektrode positiver Spannung vorgesehen ist, wobei der Abstand D zwischen beiden Elektroden die folgende Beziehung erfüllt: D << 1/µ i (µ i bedeutet den Absorptionskoeffizienten des Detektors).
Wenn der Absorptionskoeffizient und die Dicke des Strahlungsdetektors ausreichend groß sind, um durch die Masseelektrode in den Halbleiterkristall einwirkende Photonen zu fangen, so werden Paare aus Elektronen und positiven Löchern nahe der Oberfläche des Strahlungsdetektors erzeugt, also nahe der Masseelektrodenplatte in dem Strahlungsdetektor.
Der Strahlungsdetektor, der die Eigenschaften λ e << D und λ h « D erfüllt, erfaßt Strahlung aufgrund der Ladung der an der Elektrode ankommenden Elektronen. Die Signalladung Qe der angekommenen Elektronen ist durch die obige Gleichung (2) gegeben. In Gleichung (2) bedeutet λ e die mittlere freie Weglänge der Elektronen, welche im allgemeinen durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird:
g e = µe · τ e · E
mit:
µe= Elektronen-Beweglichkeit und t e= mittlere freie Weglänge der Elektronen.
Diese Faktoren können zuvor gemessen und als spezifischer Wert gehandhabt werden.
Der mittlere Abstand X zwischen der Stelle der Erzeugung der Paare aus Elektronen und positiven Löchern und der positiven Spannungselektrode wird durch die folgende Gleichung (3) wiedergegeben:
X = D-1/µ i (3)
Mit
Ei= Energie der einfallenden Strahlung µ i = Absorptionskoeffizient des Halbleiterdetektors entspricht Ei.
Der Term 1/µ i in Gleichung (3) gibt den mittleren Abstand zwischen der Stelle, an der Elektronen im Detektor erzeugt werden, und der Masse-Elektrodenseite an. Wenn der mittlere Abstand 1/µ i die Bedingung D << 1/µ i erfüllt, so werden die Paare aus Elektronen und positiven Löchern ungefähr X = D, d. h., die Paare aus Elektronen und positiven Löchern werden nahe der Oberfläche des Halbleiterkristalles direkt unter der Masse-Elektrodenseite der Strahlungseinfallseite erzeugt.
Wie oben erläutert wurde, hängt die Signalladung Qout in Gleichung (2) lediglich von der Ladung Qe der erzeugten Elektronen und nicht von den Größen λ e und X ab. Somit kann der erfindungsgemäße Detektor die Unregelmäßigkeiten der Stelle oder Position der Erzeugung der Paare von Elektronen und positiven Löchern im Vergleich mit dem herkömmlichen Detektor vermindern, bei dem die Anordnungsrichtung beider Elektroden parallel zur Einfallsrichtung der Strahlung ist, um so einen Strahlungsdetektor mit hohem Energieauflösungsvermögen zu schaffen.
Da die Elektronen nahe der masseseitigen Elektrode erzeugt und zur Elektrode der positiven Spannungsseite bewegt werden, beträgt der Bewegungsabstand der Elektronen ungefähr D. Somit wird ein Strahlungsdetektor vorgesehen, in welchem das Verhältnis der Unregelmäßigkeit der Erzeugungsstelle zu dem Bewegungsabstand der Elektronen, d. h. das S/N-Verhältnis (Rauschabstand) anwächst und der daher ein hohes Energieauflösungsvermögen hat.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Strahlungsdetektors,
Fig. 2 ein Diagramm mit der Energie-/Spektral-Kennlinie bei dem herkömmlichen Strahlungsdetektor,
Fig. 3(A), 3(B) und 3(C) eine Vordersicht, Seitensicht bzw. Draufsicht eines schematischen Ausführungsbeispiels des Strahlungsdetektors,
Fig. 4 eine schematische perspektivische Darstellung des Rahmens einer in Fig. 3(A) bis 3(C) dargestellten Drei-Schicht-Substrat-Struktur,
Fig. 5 einen schematischen Schnitt des Strahlungsdetektors der Fig. 3(A) bis 3(C),
Fig. 6 ein Diagramm mit der Energie-/Spektral-Kennlinie des erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors,
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Gamma-Kamera, in welcher in den Fig. 3(A) bis 3(C) gezeigte Detektoren in Matrix-Anordnung vorgesehen sind, und
Fig. 8 ein elektrisches Schaltbild der in Fig. 7 gezeigten Gamma-Kamera.
Die Fig. 3(A), 3(B) und 3(C) zeigen ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors. Fig. 4 zeigt einen Rahmen mit einem Abschirmmaterial für ein elektrisches Feld und einer Drei-Schicht-Substrat- Struktur. Ein Rahmen hat auch eine Funktion als ein Leiter von einer Masseelektrode.
Eine masseseitige Elektrode 11 ist so angeordnet, daß sie für Photonen in einem in Fig. 3 gezeigten Strahlungsdetektor freiliegt. Die masseseitige Elektrode 11 ist auf einer Photoneneinfallfläche eines Halbleiterkristallblockes 13 zum Umsetzen von Photonen in elektrische Ladungen befestigt. Eine positive Elektrode 12 ist auf der anderen Fläche des Halbleiterkristallblockes 13 gegenüber zu der Photoneneinfallsfläche angebracht und von der Masseelektrode 11 in einem vorbestimmten Abstand D angeordnet, welcher gleich ist zu der Dicke des Halbleiter-Kristallblockes 13 und die Beziehung D << 1/µ i erfüllt. Ein Leiter 14 auf der Seite positiver Hochspannung ist mit der positiven Elektrode 12 verbunden. Die Masseelektrode 11 ist durch einen Leiter 24 mit einer Metallschicht 22 des Rahmens 20 mit einer Drei-Schicht-Substrat-Struktur verbunden.
Die Innenflächen des Rahmens 20 berühren jeweils zwei benachbarte Oberflächen des Halbleiter-Kristallblockes. In Fig. 4 ist im Rahmen 20 eine Metallschicht 22 mit den Innenseiten eines L-förmigen isolierenden Substrates 21 verbunden, und ein isolierender Film 23 ist auf der Metallschicht 22 mit Ausnahme der oberen Endteile der Schicht 22 angebracht.
Im folgenden wird der Betrieb des beschriebenen Strahlungsdetektors näher erläutert.
Fig. 5 zeigt schematisch die relative Lagebeziehung zwischen einem Bereich, in welchem Paare von Elektronen und positiven Löchern 3 bzw. 4 erzeugt werden, und den Positionen der Masseelektrode 11 sowie der positiven Elektrode 12. Die auf die Masseplatte 11 entlang einer Richtung A einfallenden Photonen wandern durch die Masseelektrodenplatte zum Halbleiter- Kristall 13. Die einfallenden Photonen werden in Paare von Elektronen und positiven Löchern durch den inneren photoelektrischen Effekt im Halbleiter- Kristall umgesetzt. Die meisten Paare der Elektronen und positiven Löcher werden in einem Bereich nahe der masseseitigen Elektrodenplatte im Halbleiter-Kristall erzeugt. Mit anderen Worten, Paare von Elektronen und positiven Löchern 3 bzw. 4 werden auf dem Oberflächenbereich des Halbleiter- Kristallblockes 13 erzeugt. Da der Abstand X zwischen der positiven Elektrode 12 und dem Oberflächenbereich im wesentlichen konstant ist, kann die Unregelmäßigkeit des Erzeugens der Paare von Elektronen und positiven Löchern 3 bzw. 4 ausreichend kleiner sein als bei dem herkömmlichen Detektor gemäß Fig. 1.
Fig. 6 zeigt eine Ausgangssignal-Kennlinie des Strahlungsdetektors gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie aus einem Vergleich dieser Kennlinie mit derjenigen des herkömmlichen Detektors in Fig. 2 hervorgeht, hat der erfindungsgemäße Detektor eine scharfe Energiespitze bei dem spezifischen Wert und weist somit ein hohes Energieauflösungsvermögen (d. h., Δ E/E₀) auf.
Nahe der Masseelektrode erzeugte Elektronen 3 wandern um den Abstand D zwischen den Elektroden und werden durch die positive Elektrode 13 eingefangen. Somit ist ein Strahlungsdetektor vorgesehen, bei dem das Verhältnis der Unregelmäßigkeit der Erzeugungsstelle zu dem Bewegungsabstand der Elektronen, also das S/N- Verhältnis bzw. der Rauschabstand zunimmt.
Fig. 7 zeigt ein Gamma-Kamerasystem zum Messen der Photonenverteilung, bei welchem eine Anzahl von Strahlungsdetektoren in Matrixanordnung vorgesehen ist, um elektrisch miteinander verbunden zu sein. In dem System in Fig. 7 haben die einzelnen Strahlungsdetektoren die Rahmen der oben erläuterten Drei- Schicht-Substrat-Struktur. Die Rahmen sind mit den Rahmen der anderen Strahlungsdetektoren der gleichen Zeile oder Spalte neben dem Rahmen integriert und in einer Matrixanordnung-Struktur vorgesehen. Die einzelnen Detektoren sind angeschlossen, wie dies in Jerry D. Allison in "Cadmium Telluride Matrix Gamma Camera", Am. Assoc. Phys. Med, Vol. 7, No. 3, Mai/Juni 1980, Seite 203, erläutert ist. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, sind die Detektoren so angeschlossen, daß sie eine Matrixanordnung von X Zeilen und Y Spalten bilden. Beispielsweise sind die Masseelektroden 11 elektrisch durch einen gemeinsamen Masseleiter 30 in jeder Zeile verbunden, und die Enden der Masseleiter 30 sind geerdet. Die positiven Elektroden 12 sind elektrisch durch einen gemeinsamen Hochspannungsleiter 30 in jeder Spalte verbunden, und die Enden des positiven Hochspannungsleiters 31 sind mit einer Konstant- Vorspannungsquelle 35 verbunden. Die Spannungsquelle 35 legt eine Spannung zwischen die Masseelektroden und die positiven Hochspannungselektroden. Die Masseelektrode und die positive Hochspannungselektrode, an denen die Spannung liegt, sind jeweils durch Leiter 32 mit Signaldetektoren 40 verbunden. Wenn somit Photonen auf einen Detektor einfallen, fließen elektrische Ladungen zwischen den Elektrodenplatten der Detektoren. In diesem Fall werden die Stromsignale, die in den gemeinsamen Leitern 30 und 31 erzeugt sind, welche in jeder Zeile und Reihe verbunden sind, durch entsprechende Widerstände 37 und 38 in Spannungssignale umgesetzt. Die Spannungssignale liegen über Leiter 32 an den Signaldetektor 40. Der Signaldetektor 40 verarbeitet die Signale, um die Stärke und Verteilung der auf den Detektor einfallenden Strahlung zu messen.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die miteinander verbundenen Metallschichten 22 als masseseitige Leiter 30 verwendet. Somit werden in den in Matrixanordnung vorgesehenen Strahlungsdetektoren Signale mit hoher Wirksamkeit erzeugt und von den masseseitigen Elektroden 11 ausgegeben. Damit kann der Detektor in seinen Abmessungen vermindert werden.
Der Halbleiter-Kristall 13 ist in dem Rahmen der Drei- Schicht-Substrat-Struktur vorgesehen und im wesentlichen durch die Metallschicht 22 des Rahmens 24 und die Elektroden 11, 12 eingeschlossen. Auf diese Weise ist der Halbleiter-Kristall gegen ein äußeres elektrisches Feld abgeschirmt. Als Ergebnis wird durch die Metallschicht 22 das in dem Detektor erzeugte Rauschen wirksam herabgesetzt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die besonderen Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Es sind vielmehr zahlreiche Abwandlungen möglich.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Detektor so angeordnet, daß die einfallenden Photonen über die Masseelektrode auf den Halbleiterkristall einwirken, und der Abstand D zwischen den Elektroden ist so eingestellt, daß die Beziehung D << 1/µ i erfüllt ist. Auf diese Weise kann ein Strahlungsdetektor mit hohem Auflösungsvermögen geschaffen werden.

Claims (13)

1. Strahlungsdetektor mit:
  • - einem Halbleiterblock (13) aus einem Halbleiterkristall zum Umsetzen einfallender Photonen in Ladungen und
  • - einer ersten und zweiten Elektrode (11 bzw. 13), die an dem Halbleiterblock (13) festgelegt sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die erste Elektrode (11) derart an einer ersten Oberfläche des Halbleiterblocks (13) festgelegt ist, daß sie für die Photonen freigelegt und geerdet ist, und
  • - die zweite Elektrode (12) an der zweiten Oberfläche gegenüber zu der ersten Oberfläche festgelegt und mit einer positiven Hochspannung beaufschlagt ist.
2. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittleren freien Weglängen der in dem Halbleiterblock (13) erzeugten Elektronen (3) und positiven Löcher (4) und ein Abstand D zwischen beiden Elektroden (11, 12) die Beziehungen
λ e » D und λ h « D erfüllen, mit: g e= mittlere freie Weglänge der Elektronen (3) undλ h= mittlere freie Weglänge der positiven Löcher (4).
3. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand D zwischen den Elektroden (11, 12) zu D << 1/µ i bestimmt ist, wobei µ i den Absorptionskoeffizienten des Detektors bedeutet.
4. Strahlungsdetektorvorrichtung mit:
einer Vielzahl von Strahlungsdetektoren, die nebeneinander in einer Matrixanordnung vorgesehen sind, wobei jeder der Strahlungsdetektoren aufweist:
einen Halbleiterblock (13) aus einem Halbleiterkristallmaterial zum Umsetzen einfallender Photonen in elektrische Ladungen, wobei der Halbleiterblock (13) eine erste Oberfläche und eine der ersten Oberfläche (13) gegenüberliegende zweite Oberfläche hat, gekennzeichnet durch:
eine erste Elektrode (11), die an der ersten Oberfläche so angebracht ist, daß sie für Photonen freiliegt und geerdet ist, damit die Photonen dort hindurch in den Halbleiterblock (13) gelangen können, und
eine zweite Elektrode (12), die an der zweiten Oberfläche angebracht und mit positiver Hochspannung beaufschlagt ist.
5. Strahlungsdetektorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mittleren freien Weglängen der in dem Halbleiterblock (13) erzeugten Elektronen (3) und positiven Löcher (4) und ein Abstand D zwischen beiden Elektroden (11, 12) die Beziehungen λ e » D und g h « D erfüllen, mit: λ e= mittlere freie Weglänge der Elektronen (3) undλ h= mittlere freie Weglänge der positiven Löcher (4).
6. Strahlungsdetektorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand D zwischen den Elektroden (11, 12) zu D <<1/µ i festgelegt ist, wobei µ i den Absorptionskoeffizienten des Detektors bedeutet.
7. Strahlungsdetektorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Seitenflächen des Halbleiterblockes durch ein Abschirmungsmaterial (20) für ein elektrisches Feld eingeschlossen sind.
8. Strahlungsdetektorvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmungsmaterial (20) für das elektrische Feld zum Einschließen des Halbleiterblockes (13) auch als ein Abschirmungsmaterial elektrischer Felder von anderen benachbarten Detektoren verwendet wird.
9. Strahlungsdetektorvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmungsmaterial (20) für das elektrische Feld aus einem isolierenden Substrat (21), einer auf einer Seitenfläche des isolierenden Substrats (21) gebildeten Metallschicht (22) und einer isolierenden Schicht (23) zum Isolieren der Metallschicht (22) von dem Kristall besteht.
10. Strahlungsdetektorvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (22) und die Masseelektrode (24) elektrisch verbunden sind.
11. Strahlungsdetektorvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (22) in jeder Zeile (oder Spalte) in den Matrixanordnung-Detektoren verbunden ist.
12. Strahlungsdetektorvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenplatten (12) der positiven Hochspannungsseite elektrisch in jeder Zeile (oder Spalte) in den Matrixanordnung-Detektoren elektrisch verbunden sind.
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